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基于PLC的大楼自动门控制系统分析设计
来源：985论文网 添加时间：2020-05-14 11:57
基于PLC的大楼自动门控制系统分析设计
摘要
随着电子技术的发展，PLC不断的更新，PLC控制已成为自动控制中最常见的方式之一。自动门就是自动控制应用的以典型例子，由于可编程控制器具有很好的处理自动门开关控制及良好的稳定性，而且可以很简单的改变控制的方式，因此，自动门的生产商家很多都运用PLC来做门的控制器。目前自动门在日常生活中用越来越广泛。PLC控制具有较高的可靠性、稳定性、维修方便等优点。本文以PLC作为控制部件，结合可编程控制器抗干扰能力强、运行性能高等特点，实现用PLC设计自动门控制，对系统控制要求、硬件设计和软件设计方面进行了详细的说明。
关键词：自动门PLC控制系统
第一章前言
现在的社会中，自动门行业已经与日俱增，得到了广泛的运用。由于PLC具有较高的稳定性和可靠性，较强的环境适应能力，并且具有操作方便等特点，故在自动门的控制系统设计方面得到广泛使用。本文所设计自动门的工作过程是通过探测器等装置检测是否有人员通过，并将该信号传递给控制系统PLC，由PLC根据所收到的信号对控制装置下达“命令”，使自动门自主实现相应的动作，从而使自动门达到自动开关的目的。因此，本文以PLC为基础，检测装置为感应元件，电动机等装置为动力来源，分别对自动门控制系统的硬件和软件两大部分进行设计和研究。
第二章PLC系统控制的相关概述
21关于PLC
可编程控制器(PLC)是专为工业环境而设计制造的计算机，使用可编程序的存储指令，实现逻辑运算、算术运算、计数计时等功能，并能通过数字式或模拟式的输入输出，控制各类机械或生产过程。其主要特点是：可靠性高、编程方便、维修快捷、功耗小、经济适用、操作灵活等。
PLC基于电子计算机，但并不等同于计算机。普通计算机进行入出信息交换时，大多只考虑信息本身，信息入出的物理过程一般不考虑的。而PLC则要考虑信息入出的可靠性、实时性、以及信息的实际使用。特别要考虑怎样适应于工业环境，如便于安装便于门内外感应采集信号，便于维修和抗干扰等问题，入出信息变换及可靠地物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本点。PLC可以通过他的外设或通信接口与外界交换信息。其功能要比继电器控制装臵多得多、强得多。
可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，PLC几乎都可以做到。像PLC这样，集丰富功能于一身，是别的电控制器所没有的，更是传统的继电器控制电路所无法比拟的。丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能，同时，也为自动门行业的远程化、信息化、智能化创造了条件。
22工作原理
本系统采用PLC作为自动门的主控制器。当感应探测器探测到有人接近时，将脉冲信号传给PLC，PLC判断后通知电机运行，同时监控电机转数，以便通知电机在一定时候加速和进入慢行运行，电机正向运行带动门体开启。门体开启后由PLC作出判断，保持打开状态，直到门通道上已无任何人为止。如门通道上已无任何人，PLC通知电机作反向运动，在短时间内自动关闭门体。在关门过程中，如果探测到又有人接近时，PLC自动切换到开门状态。
为安全起见，在关门过程中，当门体运动方向上遇到障碍物或人时，门体会自动向相反方向运动。这是一个非常重要的安全保护功能，在防止碰人或物的同时，保护自动门电机不会因过载而烧坏。
在电机主电路中，加入断路器及热继电器，当发生短路及过载时自动切断电源。在以PLC为主的控制系统中，PLC接收人体感应探测器信号检测有没有人想进出门，由接收门位置传感器信号及电机转速信号判断门的位置，接收红外线防夹感应器信号判断运动方向是否遇到障碍物。根据收到的信号不同，PLC通过运行程序产生相应的输出控制门的开关;若发现运行异常，则进入故障处理程序，输出报警信息。
23控制需求分析
(1)当有人由内到外或由外到内通过光电检测开关S1或S2时，开门执行机构KM1动作，电机正向运转，进入开门状态，当门达到开门限位开关SQ1位置时，电机停止运行。
(2)自动门在开门位置停留8秒后，关门执行机构KM2启动，电动机反转，进入关门过程，当门到达关门限位开关SQ2时，电机停止运行。
(3)在关门过程中，所有人员由外到内或由内至外通过光电检测开关S2或S1时，应立即停止关门，并自动进行开门程序。
(4)在门打开后的8秒等待时间内，若有人员由外至内或由内至外通过光电检测开关S2或S1时，必须重新等待8秒后，在自动进入关门过程，以保证人员安全通过。
(5)当自动门的自动控制部分出现故障时，通过手动开门开关和手动关门开关能使自动门系统正常工作。
(6)自动门的开门和关门过程不能同时动作。
第三章硬件组成
31人体感应探测器
人体都有恒定的体温，一般在37°，发出波长为10μm左右的红外线。热释电元件探头是以探测人体辐射为目标的，对波长为10μm左右的红外辐射非常敏感，在接收到人体红外辐射时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生信号。被动式红外探头，其传感器包含两个反向相串联的热释电元件，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生热释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。一旦人进入探测区域内，人体红外辐射被热释电元件接收，由于两片热释电元件接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，因而产生相应的信号。
人体感应探测电路由被动红外探头、放大电路及电子开关电路组成，安装在自动门两侧。当有人靠近自动门时，身体辐射出的红外线被热释电红外传感器接收下来并将其转换成信号，经检测放大电路放大处理后输出给电子开关电路。电子开关信号输入到PLC输入继电器中，PLC根据收到的信号，驱动步进电机将门打开。
人体感应探测器需要2个，分别用来感应门内外的来人情况，占用PLC两个输入点。
32自动门运行位置检测
本系统的关键是控制门的运行，为了达到更好的控制效果，PLC必须时刻知道门所处的位置从而做出相应的处理，所以在关键的位置上安装位置传感器，并把传感器信号传给PLC。为此设置了两个行程开关，一个用于检测门完全打开时的位置，叫开门极限开关，一个用于检测门完全关闭时的位置，叫关门极限开关。当门在运行过程中，接近最大位置时，限位开关的信号传给PLC，电机停止运转。门离限位开关较近时，电机低速运行，通过程序来控制。如何判别门离极限开关的距离呢?用一个霍尔传感器，来检测电机的转速，结合限位信号来判断门的位置。2个行程开关、1个霍尔传感器，占用PLC3个输入点。
33步进电机驱动
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。
PLC对电机的控制有两种方式:一种是脉冲+方向控制;一种是正反向脉冲输出。这里采用第1种方法。
PLC的高速脉冲输出(PTO)提供一个指定脉冲数目的方波输出(占空比为50%)。在加速和减速时输出脉冲的频率(或周期)线性变化，而在恒定频率段部分保持不变。一旦产生完指定数目的脉冲，PTO输出变为低电平，直到装载一个新的指定值时才产生脉冲。PTO输出占用一个PLC输出点，用于控制门体的位移和速度，由另一个输出点的信号控制门体运动的方向。这两个信号送给步进电机驱动器去驱动电机，以带动门体完成相应的运动。
34门运行障碍检测、报警
在门运行过程中,有时会遇到障碍物阻止它的运行。这时需要具体分析,如果是在开门过程中出现这种情况,有可能是途中障碍的阻止,或者是开门限位开关坏了,停止运行并报警;如是关门时出现这种情况,有可能挤到人或物了,应向相反方向运行,给出报警信号。
设置一个传感器检测在关门过程中有无人或物体在门的中间。主动式红外线防夹感应器由发射特定频率的红外线发射器与接收器组成,其红外线频率与自然界及人体的红外线不同。在关门过程中当人或物阻挡时,接收器收不到光信号产生一个负脉冲,该脉冲作为PLC的一个中断信号,PLC控制门体向相反方向运动。这是一个非常重要的保护功能,在防止碰人或物的同时,保护自动门电机不会因过载而烧坏。
35PLC的主机
在控制电路中,PLC的输入控制信号共11点,包括人体感应探测器信号2个、自动门运行位置检测信号3个、门运行障碍检测信号1个(结合PLC特点,上述信号在电路中要转换为开关触点信号),还有手动开门按钮信号、手动关门按钮信号、门启动按钮信号、门停止按钮信号、热继电器辅助常闭触点信号。PLC输出的控制信号点数为4点,包括步进电机控制信号2点、门运行障碍报警信号2点。
PLC是控制系统的核心部分,本研究采用224型PLC。该机型在紧凑的外壳内组合了微处理器、集成的电源、输入电路和输出电路,可扩展多种模块,包括I/O模块、模拟模块、智能模块等。CPU224自带14点I/O输入和10点I/O输出,可满足本系统要求。硬件结构框图如图1所示。
图1 硬件结构框图
第四章软件设计
PLC采用“顺序扫描,不断循环”的工作方式。一个扫描周期主要分为输入采样、程序(指主程序)执行、输出刷新。由于PLC采用这样的工作原理,所以即使是顺序程序也会反复执行,程序中各个部分的执行与否由相应的条件来控制,条件满足则执行,否则不执行。
在本研究中,系统程序采用模块化编程,主要由主程序模块、开门子程序模块、关门子程序模块和故障诊断与报警输出模块等组成。下面就典型模块进行了详细地介绍。
41主程序模块
首先进行系统初始化，包括表示开关门过程各阶段的变量的初始化、中断设置等，然后PLC根据输入信号进行不同的处理。当按下停止按钮，PLC不响应开关门请求，使电机停止工作，门静止不动。当按下启动按钮，PLC开始响应开关门请求:若按下手动开门按钮，调用开门子程序;若按下手动关门按钮，调用关门子程序;若收到人体感应信号，先调用开门子程序，在确认没有人的情况下，延时一段时间后，调用关门子程序。由于PLC采用扫描的工作方式，程序反复执行。每次执行，都检测上述条件，满足哪一个，转向相应的控制，所以可实现手动与自动控制的实时切换。主程序流程图如图2所示。
图2主程序流程图
42开门子程序及关门子程序模块
由于开门与关门联系密切，所以把两个模块放在一起说明。为了对系统进行保护及精确定位，将开门的行程分为缓慢加速、恒速、减速3个阶段，关门的行程也分为缓慢加速、恒速、减速3个阶段。开关门的加减速信号由PLC根据门的位置通过PTO输出功能来提供。
开门子程序流程图如图3所示。开门时，首先看一下关门极限信号是否有效，若有效，说明门是完全关闭的，对行程变量清0。因为PLC反复执行程序，所以检测手动开门或人体感应信号在本次有效后是否初次调用开门子程序，若是则设置PLC高速脉冲输出参数为驱动电机作准备。然后检测电机的运行，转一圈行程变量加一。最后检测开门极限，关闭电机信号输出，避免当门完全打开时，电机出现异动。
关门子程序流程图如图4所示。关门时，首先检测手动关门或人体感应信号在本次有效后是否初次调用关门子程序，若是则设置PLC高速脉冲输出参数，输出电机驱动信号，电机反转。然后检测电机的运行，转一圈行程变量减一。最后检测关门极限是否有效，若有效则门已完全关闭，切断电机信号。
图3开门子程序流程图图4关门子程序流程图
注意每次开(关)门的时候，门不一定是完全关闭(打开)的，用行程变量表征电动门所处的位置。高速脉冲输出功能可根据行程变量的大小输出相应的脉冲，使电机按加速、恒速、减速的方式运行。
总结
本研究将PLC应用到自动门控制系统中,可以充分发挥PLC高可靠性和抗干扰性特点,外部接线简单、灵活,维修方便。采用了双元件型热释电红外传感器检测人体出入情况,同时采用红外线光电感应器防止夹人(或物)的情况出现。传感器灵敏可靠,不受环境因素的干扰。本系统已通过硬件和软件调试,在实际中获得了应用,具有较高的可靠性、灵活性和经济适用性。
参 考 文 献
[1]司慧玲基于PLC的自动门控制系统的设计[J]电子测试2016(24)
[2]冯大捷自动门的PLC控制[J]科技信息2017(03)
[3]丁巧芳PLC控制自动门系统设计[J]科学之友2016(12)
[4]王静基于PLC的自动门电路设计[J]数字技术与应用2015(07)
[5]梁春英,孙裔鑫,怀宝付基于AVR单片机的自动门控制系统设计[J]信息技术2015(07)
[6]王贤浩用PLC控制真空吸砂机的电气控制设计[J]数码世界2017(02)
[7]刘鹏浅析PLC技术在电梯运行中的应用[J]黑龙江科技信息2013(07)
[8]董鹏PLC在带式输送机张紧装置中的应用[J]煤矿机电2015(02)
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